Transcript 宇宙線加速に関わる理論的課題

宇宙線加速に関わる
理論的課題
高原文郎(大阪大学)
２０１０年１１月１６日
宇宙線研研究会
宇宙線の起源
放射
放射
シンクロトロン、制動放射、
逆コンプトン
π粒子生成と崩壊
伝播
伝播
磁気乱流散乱
加速源、加速機構
２次粒子生成
加速源、加速機構
超新星残骸
衝撃波統計加速
閉じ込め
衝撃波粒子加速
• 超新星起源説 （１９５０年代初頭より）
– エネルギー収支
– 非熱的電波放射 （電子加速･シンクロトロン放射）
• 衝撃波統計粒子加速 （１９７０年代末）
– 普遍的べき型スペクトルの実現
– 最大エネルギー問題
– injection問題、効率問題、電子とイオン、Pick-upイオン
• 非線形問題
• Bell機構 磁場増幅
– これは最大エネルギー問題を解決するのか？
• 閉じ込め問題
– 宇宙線はいつ源から逃げるのか？
無衝突衝撃波
SNR
CR gyro radius
radius
ion
Electron
gyro radius
skin depth
CR mfp (E-dependent)
1020cm
1015cm
CR / Plasma
CR kinetic
Two-Fluid
1012cm
109cm
MHD
ion
kinetic
sub- shock
Bell
mechanism thickness
neutral penetration
CR
105cm
electron
kinetic
DSA
pick-up ions
injection
Weibel
非線形問題の例
Vladimirov et al. 2006
最も単純な仮説
• 源でのスペクトルは指数２のべきスペクトル
– ガンマ線スペクトルもこれに従うはず
– 最大エネルギーは磁場増幅などを考える
• 銀河系伝播でスペクトルは指数２．７となる
– 拡散係数はＥα （α=0.7）
• α=1/3 for Kolmogoroff
– 非等方性問題は？
• 閉じ込め時間はエネルギーによらない
– ある時期に一斉に開放
観測の状況
• GeV-TeV観測
– leptonic vs hadronic 解釈の多義性
– スペクトルの折れ曲がり GeV-10GeV
• 源そのものより分子雲相互作用をみている？
• Energy dependent escape?
• X線観測
– 磁場増幅はありそう
• Bell機構だと宇宙線のジャイロ半径より小スケールなので、散乱への寄
与は小さく、閉じ込めへの寄与は小さい？
• 乱流磁場中の放射は一様磁場中の放射とは異なるので今後の大きな
研究課題となる
– 宇宙線生成効率はある程度大きい（非線形問題）
• 膨張の力学的振舞いからの示唆
• 単純ではない
break at 15GeV
W44
break at 10GeV
Prediction of CR near the source Gabici et al. 2009
Prediction of gamma-ray spectra Gabici et al. 2009
源近傍での伝播
• 銀河宇宙線中の個々の源
– 源近傍 100pc
– 拡散係数はどう決まるか
– 星間空間での乱れた磁場
• ＭＨＤカスケード
• 宇宙線の流れによる共鳴磁場生成
• 磁場と宇宙線の等分配問題
• 宇宙線ハローの可能性
– 拡散係数は源近傍では星間空間より3桁程度小さい
オーダー評価
• Ｌ 勾配サイズ k∝1/E （共鳴波数）
• δuB(k)≈(VAt/L)ucr(E)
• VA=100km/s, L=10pc, t=103years,
ucr=10-9erg/cm3 にたいし
δuB(k)=10-10erg/cm3
• λ=1012cm(E/mc2) 平均自由行程
• 拡散係数は星間空間より何桁も低くてよい
• 源を離れるのはかなりの時間を要する
• 衝撃波が再び宇宙線を捕捉する可能性
FOT 2010
乱れた磁場中の輻射
(jitter / diffusive synchrotron)
• 一様磁場
– 視線に入る軌道は rg/γ=E/eBγ=c/Ωc
– ジャイロ長をみることになる
– Δt=(1/Ωc)(1-v/c)≈1/γ2Ωcがシンクロトロン振動数を決め
る
• ジャイロ長以下のスケールのゆらぎがあればΔtは
より短くなりえる。例えば慣性長（スキンデプス）
c/ωpは数桁小さい。プラズマ振動の逆コンプトンと
もみなしてもよい。
• ジャイロ長より長いスケールのゆらぎは低振動数側
のスペクトルを変形する。
Fleishman Bietenholz 2007
Ｓｕｍｍａｒｙ
• injection
– ＰＩＣシミュレーション 特に電子加速、Pick-upイオン
• 非線形
– 程度問題
• 磁場増幅
– 宇宙線散乱への寄与
– 放射スペクトルがシンクロトロンと異なる
– 増幅の起こっている領域の大きさ
• 閉じ込め
– 非共鳴磁場での閉じ込め
– 共鳴磁場の自己生成
– 宇宙線ハロー